ผู้เขียนโดย
ดร.ธรรมนูญ ศรีทะวงศ์
วิทยาลัยปิโตรเลียมและปิโตรเคมี
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
บทที่ 1 - พลังงานไฮโดรเจน
ประเทศ ไทยได้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องมาโดยตลอด จากเดิมระบบเศรษฐกิจต้องพึ่งพาผลผลิตจากภาคการเกษตรเป็นหลัก แต่ปัจจุบันผลผลิตส่วนใหญ่มาจากภาคอุตสาหกรรม ซึ่งจากการขยายตัวในส่วนของภาคอุตสาหกรรมและการเพิ่มขึ้นของประชากรในประเทศ ได้ส่งผลให้ประเทศต้องพึ่งพาน้ำมันปิโตรเลียมมากขึ้นเพื่อใช้เป็นแหล่ง พลังงานซึ่งนับวันราคาน้ำมันดิบในตลาดโลกเพิ่มสูงขึ้น นอกจากภาคอุตสาหกรรมแล้ว ความต้องการด้านพลังงานในภาคเศรษฐกิจ สังคมรวมถึงการใช้งานในชีวิตประจำวันก็เพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก ดังนั้นประเทศไทยจึงมีความจำเป็นต้องหาแหล่งพลังงานในประเทศให้มากขึ้น รวมทั้งเร่งรัดนโยบายการประหยัดพลังงานควบคู่กันไปด้วย
พลังงานไฮโดรเจน (Hydrogen, H2) ซึ่งถือได้ว่าเป็นพลังงานเชื้อเพลิงสำหรับการเผาไหม้ที่มีประสิทธิภาพสูง, สะอาด, และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ได้รับการคาดหมายและยอมรับว่าจะเป็นแหล่งของพลังงานเชื้อเพลิงที่สำคัญอย่าง มากในอนาคต ในปัจจุบันนี้กระบวนการเปลี่ยนรูปสารไฮโครคาร์บอนด้วยไอน้ำ (Steam reforming of hydrocarbons) เป็นกระบวนการที่ใหญ่ที่สุดสำหรับการผลิตพลังงานไฮโดรเจน แต่ปัญหาหลักที่สำคัญมากของกระบวนการนี้คือ การปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมากซึ่งเป็นสาเหตุของสภาวะโลกร้อน หรือปรากฏการณ์เรือนกระจก นอกจากนี้แล้วยังประสบปัญหาการขาดแคลนแหล่งของไฮโดรคาร์บอนที่นำมาใช้ใน กระบวนการอีกด้วย ดังนั้นกระบวนการอื่นซึ่งเป็นทางเลือกใหม่ที่ปลอดภัย และสามารถผลิตพลังงานไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงควรได้มีการพัฒนาขึ้นเพื่อรองรับความต้องการพลังงานไฮโดรเจนในอนาคต
รูปที่ 1 คุณสมบัติของก๊าซไฮโดรเจน
(ที่มา: http://www.enaa.or.jp/WE-NET/suiso/suiso1_e.html)
ก๊าซ ไฮโดรเจนถือได้ว่าเป็นเชื้อเพลิงอนาคต ทั้งนี้เนื่องจากไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อเกิดการเผาไหม้กับก๊าซ ออกซิเจน โดยจะมีเพียงไอน้ำเป็นผลพลอยได้ ซึ่งแตกต่างจากเชื้อเพลิงอื่นๆที่ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลพลอยได้ ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gas) ส่งผลกระทบโดยตรงต่อการทำให้โลกร้อนขึ้น (Global warming) นอกจากนี้ยังสามารถนำก๊าซไฮโดรเจนไปผลิตกระแสไฟฟ้าโดยป้อนเข้าเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) ซึ่งขณะนี้นักวิจัยทั่วโลกให้ความสนใจเป็นอย่างมากในการพัฒนาเซลล์เชื้อ เพลิงมาประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ เนื่องจากประสิทธิ ภาพของเซลล์เชื้อเพลิงมีค่าสูงกว่าอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าแบบอื่นๆมาก ดังนั้นพลังงานไฮโดรเจนจึงเป็นอีกทาง เลือกหนึ่งที่สามารถนำมาใช้ทดแทนพลังงานดั้งเดิมได้
เนื่องจากคุณประโยชน์ในด้านต่างๆโดยสรุปดังนี้
1. แหล่งพลังงานดั้งเดิมก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก ซึ่งก๊าซชนิดนี้ส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศของโลกโดยเฉพาะก๊าซ คาร์บอนมอนออกไซด์ ซึ่งเกิดจากการสันดาป (Combustion) ของสารประกอบอินทรีย์ เช่น น้ำมัน แต่พลังงานไฮโดรเจนเป็นพลังงานสะอาด ไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก ดังนั้นจึงไม่ส่งผลให้เกิดภาวะเรือนกระจก
2. การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงดั้งเดิม ไม่ว่าจะมาจากยานพาหนะหรือแหล่งอุตสาหกรรมต่าง ๆ ก่อให้ เกิดกลุ่มควันและฝุ่นละออง แต่พลังงานไฮโดรเจนไม่ก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศเหล่านี้
3. พลังงานไฮโดรเจนสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานที่ต้องใช้พลังงานดั้งเดิมได้ เช่น ใช้เป็นเชื้อ เพลิงสำหรับครัวเรือน เครื่องยนต์สันดาปภายใน เครื่องกังหัน และเครื่องไอพ่น
4. ค่าพลังงานเชื้อเพลิงที่ได้จากไฮโดรเจนจะมากกว่าค่าพลังงานเชื้อเพลิงไฮโดร คาร์บอน และเชื้อ เพลิงจากแอลกอฮอร์ เช่น เมทานอลและเอทานอลถึง 2.5 และ 5 เท่า ตามลำดับ
5. ก๊าซไฮโดรเจนสามารถนำไปใช้กับเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) ในการผลิตไฟฟ้า ซึ่งอยู่ระหว่างการพัฒนาและคาดว่าจะนำมาใช้อย่างกว้างขวางในอนาคต
รูปที่ 2 การปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจก (แสดงในรูปของคาร์บอน) จากยานพาหนะที่ใช้การสันดาปภายในด้วยน้ำมันเบนซีนเปรียบเทียบกับยานพาหนะที่ ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งของพลังงาน
(ที่มา: Bak T, Nowotny J, Rekas M, Sorrell C C, Int. J. Hydrogen Energy, 27 (2002) 991)
บทที่ 2 - แนวคิดเกี่ยวกับการแยกโมเลกุลน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน
แนวความคิดของกระบวนการแยกโมเลกุลน้ำ (Water splitting reaction) เพื่อผลิตพลังงานไฮโดรเจน ได้ถูกพัฒนาขึ้นเนื่องมาจากความมั่นใจที่ว่า กระบวนการนี้สามารถเป็นแหล่งของพลังงานไฮโดรเจนที่ยั่งยืน (Sustainable energy) แหล่งของสารตั้งต้นที่นำมาใช้ในการผลิตพลังงานในกระบวนการนี้ซึ่งได้แก่ แหล่งน้ำ ก็เป็นแหล่งพลังงานที่สามารถหาได้อย่างไม่จำกัด นอกจากนี้พลังงานไฮโดรเจนที่ผลิตได้จากกระบวนการนี้ก็ไม่มีสารผลิตภัณฑ์อื่น ที่ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมเจอปนอีกด้วย
แต่เนื่องจากปฏิกิริยานี้เป็น ปฏิกิริยาที่ดูดความร้อนสูงเพื่อใช้ในการผลิตไฮโดรเจน แหล่งของพลังงานความร้อนในอุดมคติที่สามารถจะนำมาใช้งานได้ต้องเป็นแหล่งที่ สามารถหาได้ในปริมาณมากเพียงพอและไม่ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม พลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งเป็นแหล่งของพลังงานที่สามารถนำกลับมาใช้ได้ใหม่ (Renewable resource) มีความเหมาะสมเป็นอย่างมากสำหรับนำมาใช้งานในกระบวนแยกโมเลกุลน้ำนี้ นอกจากนี้การนำพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้ในการผลิตพลังงานไฮโดรเจนจากกระบวนการ แยกโมเลกุลน้ำ ยังเป็นวิธีการที่น่าสนใจเป็นอย่างมากในมุมมองของการเปลี่ยนพลังงานแสง อาทิตย์เป็นพลังงานเคมี
รูปที่ 3 แนวความคิดในการแยกโมเลกุลน้ำด้วยแสงอาทิตย์และสารกึ่งตัวนำเพื่อผลิตพลังงานไฮโดรเจน
(ที่มา: http://www2.slac.stanford.edu/tip/2003/mar21/hydrogen.htm )
นับ จากอดีตจนถึงปัจจุบันนี้ ได้มีการพัฒนาระบบทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการดูดซับพลังงานรังสีแม่เหล็ก ไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์โดยสารเคมีที่เราเรียกกันว่าสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ซึ่งทำให้เกิดการเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยาที่สามารถแยกโมเลกุลน้ำขึ้นได้ กระบวนบวนการผลิตไฮโดรเจนด้วยวิธีดังกล่าวโดยใช้สารกึ่งตัวนำทั้งแบบโลหะ เดี่ยวและโลหะผสมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยานี้ มีข้อดีหลายประการได้แก่ ประหยัดค่าใช้จ่าย, ทนทานต่อการเสื่อมสภาพ, ไม่มีผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม, และสามารถดำเนินการได้อย่างปลอดภัย
บทที่ 3 - การเกิดปฏิกิริยาแยกโมเลกุลน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน
ในกลุ่มของสารกึ่งตัวนำที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แสงร่วม ไททาเนีย (TiO2) ได้รับความสนใจมากที่สุดในการนำมาประยุกต์ใช้ในกระบวนการกำจัดสารพิษที่ส่ง ผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมและในกระบวนการเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แสงร่วมต่าง ๆ นับจากมีการริเริ่มคิดค้นการนำไททาเนียอิเล็คโทรด (TiO2 electrode) มาใช้ในกระบวนการเคมีไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำด้วยแสง (Photoelectrochemical process) สำหรับการแยกโมเลกุลน้ำโดยกลุ่มนักวิจัยชาวญี่ปุ่นได้แก่ Fujishima และ Honda ในปี 1972 ทำให้จนถึงปัจจุบันนี้มีความสนใจอย่างต่อเนื่องในการนำไททาเนียมาใช้เป็นตัว เร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาการแยกโมเลกุลน้ำเพื่อผลิตพลังงานไฮโดรเจนภายใน ระบบที่มีการฉายแสง
เมื่อไททาเนียทำการดูดซับโฟตอน (Photon) ที่มีพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าค่าความแตกต่างระหว่างค่าพลังงานในระดับคอนดัคชันแบนด์ (Conduction band, CB) และวาเลนซ์แบนด์ (Valence band, VB) หรือเป็นที่รู้จักกันว่าพลังงานแบนด์แกป (Energy band gap) จะทำให้เกิดการกระตุ้นให้อิเลคตรอนในระดับชั้นพลังงานวาเลนซ์แบนด์เคลื่อน ที่ไปอยู่ในระดับชั้นพลังงานคอนดัคชันแบนด์ ทำให้เกิดคอนดัคชันแบนด์อิเลคตรอน (Conduction band electron, e-cb) และวาเลนซ์แบนด์โฮล (Valence band hole, h+vb) ขึ้น
แต่ อย่างไรก็ตามในความเป็นจริงแล้ว ไฮโดรเจนไม่สามารถถูกผลิตขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพบนพื้นผิวของไททาเนียที่ ยังไม่ได้รับการปรับแต่ง เนื่อง จากพลังงานแบนด์แกปของไททาเนียมีค่าสูงคือ 3.2 eV สำหรับไททาเนียชนิดอนาเทส (Anatase) และ 3.0 eV สำหรับไททาเนียชนิดรูไทล์ (Rutile) ทำให้เกิดการรวมตัวกลับของอิเลคตรอนและโฮลได้ง่าย การแก้ไขข้อจำกัดนี้อย่างมีประสิทธิภาพทำได้โดยการใช้สารที่เอื้อให้เกิดปฏิกิริยา (Sacrificial reagent) เช่น เมทานอล ซึ่งสารนี้จะเข้าร่วมในปฏิกิริยาโดยการกำจัดโฮลด้วยกระบวนการออกซิเดชันที่ วาเลนซ์แบนด์ ในขณะที่ปฏิกิริยาการเกิดไฮโดรเจนสามารถเกิดที่คอนดันชันแบนด์ด้วยกระบวนการ รีดัคชันของน้ำด้วยอิเลคตรอน
นอกจากนี้ การแก้ไขข้อจำกัดดังกล่าวอย่างมีประสิทธิภาพอีกวิธีหนึ่งคือการใส่ตัวเร่ง ปฏิกิริยาร่วม ซึ่งโดยส่วนมากแล้วจะเป็นโลหะทรานซิชันเช่น นิกเกิล (Ni) แพลตินัม (Pt) เป็นต้น ลงไปบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาหลักไททาเนีย โดยตัวเร่งปฏิกิริยาร่วมเหล่านี้จะทำหน้าที่เร่งการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอน จากเวเลนซ์แบนด์หลังจากการดูดซับแสงและกระตุ้นด้วยแสงแล้วให้ไปสู่นอกระบบ ซึ่งก็คือการเกิดปฏิกิริยาการเกิดไฮโดรเจนที่คอนดัคชันแบนด์ได้เร็วขึ้น อย่างมาก
โดยสรุป กระบวนการการเกิดปฏิกิริยาแยกโมเลกุลน้ำเมื่อทำการแก้ไขข้อจำกัดต่างๆ สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 4
รูปที่ 4 กระบวนการการเกิดปฏิกิริยาแยกโมเลกุลน้ำ
เอกสารอ้างอิง
1. Legrini O, Oliveros E, Braun A M, Chem. Rev. 93 (1993) 671.
2. Hoffmann M R, Martin S T, Choi W, Bahnemann D W, Chem. Rev. 95 (1995) 69.
3. Linsebigler A L, Lu G, Yates, Jr. J T, Chem. Rev. 95 (1995) 735.
4. Mills A, Hunte S L, J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 108 (1997) 1.
5. Fujishima A, Honda K, Nature 238 (1972) 37.
ขอขอบคุณมา ณ.ที่นี้
เกี่ยวกับผู้เขียน
ดร.ธรรมนูญ ศรีทะวงศ์ สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีด้านวิศวกรรมเคมีจากมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ สำเร็จการศึกษาปริญญาโทด้านเทคโนโลยีปิโตรเคมีจาก วิทยาลัยปิโตรเลียมและปิโตรเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และสำเร็จการศึกษาปริญญาเอกด้านวิทยาศาสตร์พลังงานจาก Kyoto University ประเทศญี่ปุ่น ปัจจุบันเป็นอาจารย์และนักวิจัยของ วิทยาลัยปิโตรเลียมและปิโตรเคมี จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ทำการศึกษาและวิจัยด้าน Photocatalysis and Catalysis, Solar Energy Utilization, Sol-Gel Synthesis of Oxide Semiconductors, Nanoporous/Mesoporous Materials, Plasmas for Chemical Conversion, และ Biohydrogen Production
สามารถดูข้อมูลเกี่ยวกับผู้เขียนเพิ่มเติมได้ที่ http://www.ppc.chula.ac.th/thammanoon.html
แหล่งที่มาข้อมูล : วิชาการ.คอม (www.vcharkarn.com)
วินาที ไม่นานพอ ที่จะดูดกลืนโลกของเราไปได้หรอกครับ) ก่อนจะสลายตัวด้วยกระบวนการ Hawing Radiation ให้อนุภาคอิเล็กตรอน โฟตอน มิวออน หรือ ควาร์ก ที่ ATLAS สามารถตรวจวัดและทำการบันทึกเพื่อใช้ในการศึกษาได้ เช่นเดียวกัน (อ้างอิงจาก 
